深海采礦系統(tǒng)揚(yáng)礦子系統(tǒng)縱向振動(dòng)被動(dòng)減振研究.pdf

1、隨著全球陸地資源的日趨緊張、世界經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，開發(fā)海洋礦產(chǎn)資源成為世界各國(guó)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，尤其對(duì)于正在崛起的中華民族實(shí)現(xiàn)“中國(guó)夢(mèng)”具有深遠(yuǎn)意義。
　　深海采礦系統(tǒng)包括采礦平臺(tái)、揚(yáng)礦子系統(tǒng)和集礦機(jī)等，其中，采礦船、揚(yáng)礦硬管、提升泵、中間艙和揚(yáng)礦軟管等是揚(yáng)礦子系統(tǒng)的重要組成部分。本文研究基于中國(guó)深海采礦1000m海試系統(tǒng)，針對(duì)深海采礦作業(yè)過程中采礦船升沉運(yùn)動(dòng)引起的揚(yáng)礦子系統(tǒng)縱向動(dòng)力響應(yīng)問題，提出了在泵和中間艙附加吸振器的方

2、法減小縱向振幅，并運(yùn)用Galerkin理論詳細(xì)推導(dǎo)分析了揚(yáng)礦子系統(tǒng)在泵和中間艙附加吸振器前后縱向動(dòng)力性能的變化，利用BFGS變尺度法首次研究了水中吸振器的參數(shù)最優(yōu)化問題。為了對(duì)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，還建立了一套附加吸振器揚(yáng)礦子系統(tǒng)縱向減振模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本文研究?jī)?nèi)容為將來深海采礦作業(yè)和海試提供了技術(shù)參考，也為加強(qiáng)采礦生產(chǎn)安全性提出了一條新的途徑。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.針對(duì)中國(guó)大洋采礦海洋環(huán)境，研究了深海采礦

3、系統(tǒng)所承受的風(fēng)、波、流等載荷，且研究了揚(yáng)礦子系統(tǒng)在一定深度海水中的環(huán)境載荷，詳細(xì)推導(dǎo)了揚(yáng)礦子系統(tǒng)的液動(dòng)力載荷計(jì)算公式，并利用莫爾經(jīng)驗(yàn)公式得到了波浪中采礦船升沉運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方程。
　　2.對(duì)采礦船升沉運(yùn)動(dòng)下的揚(yáng)礦子系統(tǒng)縱向振動(dòng)進(jìn)行了研究，構(gòu)建了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，并應(yīng)用Galerkin理論進(jìn)行了求解，仿真分析了不同海浪周期下?lián)P礦子系統(tǒng)的縱向振幅和軸向應(yīng)力在泵和中間艙位置節(jié)點(diǎn)隨海浪頻率的變化規(guī)律。
　　3.針對(duì)采礦船升沉運(yùn)動(dòng)下的

4、揚(yáng)礦子系統(tǒng)縱向振動(dòng)問題，提出了附加吸振器的方法，運(yùn)用Galerkin方法分別研究了在泵和中間艙等不同部位附加吸振器時(shí)對(duì)于揚(yáng)礦子系統(tǒng)的縱向振動(dòng)位移和軸向力的影響，仿真結(jié)果表明，在揚(yáng)礦子系統(tǒng)上附加吸振器是一種減小縱向振幅的簡(jiǎn)單可行且有效的方法，尤其在泵和中間艙部位均附加吸振器時(shí)抑振效果進(jìn)一步提升。
　　4.鑒于在揚(yáng)礦子系統(tǒng)中附加吸振器的參數(shù)不同而引起縱向減振效果差異現(xiàn)象，深入分析了海水中單自由度主系統(tǒng)附加吸振器的兩自由度振動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)用

5、罰函數(shù)法和BFGS變尺度法推導(dǎo)了水中吸振器參數(shù)最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和算法，首次得到水中吸振器參數(shù)最優(yōu)化的六個(gè)參數(shù)因子，而不是空氣中的四個(gè)參數(shù)，豐富了吸振器參數(shù)最優(yōu)化理論，并為后繼附加吸振器的揚(yáng)礦硬管縱向減振模擬實(shí)驗(yàn)提供了吸振器設(shè)計(jì)參數(shù)準(zhǔn)備。
　　5.提出了附加吸振器的揚(yáng)礦硬管縱向減振模擬實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)方案，其中，采礦船運(yùn)動(dòng)模擬裝置采用了Stewart六自由度平臺(tái)，吸振器模擬裝置采用了簡(jiǎn)單有效的典型Voigt式吸振器，即彈簧-阻尼-質(zhì)量子